辛克鵬　劉鑒徵

【摘 要】論文以煉油廠連續(xù)重整工藝為例，對(duì)精餾塔餾出口芳烴含量軟儀表的建模過程進(jìn)行分析，通過對(duì)工藝模型的深入剖析，并利用數(shù)學(xué)中迭代算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的非線性回歸，從而得出軟儀表模型，提出了軟儀表建模的新思路，對(duì)今后提高軟測(cè)量精度具有重要意義。

【Abstract】Taking the continuous reforming process of the refinery as an example， the paper analyzes the modeling process of the soft meter of the aromatics content in the distillation column. Through the ?in-depth analysis of the process model， and the use of mathematical iteration algorithm for data non-linear regression， we get the model of soft instrument and put forward a new idea of soft instrument modeling， which is of great significance to improve the accuracy of soft measurement in the future.

【關(guān)鍵詞】軟儀表;非線性回歸;數(shù)據(jù)線性化

【Keywords】 soft instrument; non-linear regression; data linearization

【中圖分類號(hào)】TQ320.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2019）06-0182-02

1 引言

石化行業(yè)中，操作人員主要根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果和操作經(jīng)驗(yàn)調(diào)整工藝各參數(shù)。由于化驗(yàn)數(shù)據(jù)的滯后性，會(huì)造成質(zhì)量偏差增大，而操作員的操作經(jīng)驗(yàn)不同，會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量不一致，這樣操作導(dǎo)致的質(zhì)量波動(dòng)大，更重要的是會(huì)增加能耗。為解決這一問題，軟測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要以煉油廠連續(xù)重整工藝中芳烴含量軟儀表建模為例，對(duì)原方式建模與新方式建模進(jìn)行比較、分析。將非線性軟儀表模型，通過迭代算法轉(zhuǎn)換成線性模型，最終實(shí)現(xiàn)精確的軟測(cè)量。

2 工藝簡(jiǎn)介

連續(xù)重整工藝為煉廠生產(chǎn)高辛烷值汽油和芳烴的重要裝置，主要將低辛烷值石腦油變成富含芳烴的高辛烷值汽油組分。整套工藝包括：原料預(yù)處理、重整、抽提、精餾四部分。預(yù)處理過程主要從原料中切割60～130℃餾分，除去雜質(zhì)。原料經(jīng)催化劑反應(yīng)后，環(huán)烷烴轉(zhuǎn)化為芳烴。通過抽提將來自重整部分的脫戊烷油中的芳烴與非芳烴分離，分離出來的芳烴與非芳烴進(jìn)一步精餾出苯、甲苯、二甲苯、重芳烴、溶劑油等化工產(chǎn)品[1]。

3 現(xiàn)狀分析

以往建立軟儀表模型過程，通常是使用數(shù)據(jù)回歸的方法，按照日期，對(duì)于影響質(zhì)量含量的相關(guān)參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行取數(shù)，一般取一小時(shí)的平均值。完成取數(shù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選處理，將有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)（如儀表測(cè)量問題造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、特殊生產(chǎn)狀況下的數(shù)據(jù)等）進(jìn)行剔除。在做軟測(cè)量的軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，一般會(huì)有幾種固定的軟儀表模型進(jìn)行選擇：線性、非線性、線性與非線性并存、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等。工程師在做建模時(shí)通常會(huì)選用這幾種模型進(jìn)行分析，然后將軟測(cè)量的值與歷史化驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，將趨勢(shì)最一致、偏差最小的那個(gè)模型作為選擇的軟儀表模型。這樣的建模方式會(huì)有弊端。一開始軟儀表的預(yù)測(cè)值與實(shí)際化驗(yàn)值偏差很小，操作人員也喜歡使用，但是隨著時(shí)間的累積以及工藝工況的改變，預(yù)測(cè)值與化驗(yàn)值的偏差會(huì)越來越大。即使擁有化驗(yàn)數(shù)據(jù)校正程序，但是校正的僅僅是常數(shù)項(xiàng)，對(duì)模型其他參數(shù)無法修正[2]。

此建模方式的精確性較差，在軟儀表建模時(shí)沒有真正考慮到工藝條件所帶來的影響，數(shù)學(xué)模型的選用是否真正合理是問題的關(guān)鍵所在。

4 改進(jìn)模型的建立

建立模型前，首先要對(duì)工藝進(jìn)行詳細(xì)了解，比如化學(xué)反應(yīng)熱平衡、能量守恒、物料平衡等關(guān)系，綜合考慮采樣時(shí)間與觀測(cè)數(shù)據(jù)間的時(shí)間差等因素。在種種關(guān)系中，確定一個(gè)大致的方程式，再推導(dǎo)出參數(shù)之間的大致關(guān)系，然后進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的回歸，將機(jī)理模型與數(shù)據(jù)回歸。

以連續(xù)重整工藝為例，此反應(yīng)為烷烴脫氫環(huán)化反應(yīng)，環(huán)烷化合物，如環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷、二甲基環(huán)己烷，分別脫氫為苯、甲苯、二甲苯。從反應(yīng)機(jī)理圖可以推出：C6H14=C6H6+4H2，即：1摩爾烷烴可生成1摩爾芳烴和4摩爾氫氣。

如圖1，反應(yīng)物料進(jìn)入四個(gè)反應(yīng)器，設(shè)第一個(gè)反應(yīng)器的入口溫度為T1，第四個(gè)反應(yīng)器的出口溫度為T2，T1-T2=T，反應(yīng)完畢，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入分離塔，設(shè)塔入口流量為F1、塔出口流量為F2，其中T1、T2、F1、F2均為可測(cè)參數(shù)。通過精餾，產(chǎn)出脫戊烷油，同時(shí)產(chǎn)出氫氣。脫戊烷油中芳烴含量作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，控制在≥70%，化驗(yàn)室化驗(yàn)頻次為一天。

從熱力學(xué)角度，此反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，高溫和低壓對(duì)此類反應(yīng)有利。同時(shí)，碳原子數(shù)越多，平衡中的芳烴產(chǎn)量越高。從動(dòng)力學(xué)角度，此反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，不受氫分壓影響，也隨原子數(shù)的增多而加快。在選擇的操作條件下，反應(yīng)是非?？斓膸缀跬耆磻?yīng)，它是由催化劑金屬功能促進(jìn)，其反應(yīng)促進(jìn)辛烷值增加。

根據(jù)反應(yīng)原理，遵循能量守恒原則，制定反應(yīng)平衡公式。按照分子摩爾數(shù)計(jì)量，設(shè)：氫油比K（摩爾比），1摩爾烷烴反應(yīng)生成芳烴吸收的反應(yīng)熱為Q1，參與反應(yīng)的油品比熱為Q2（1摩爾參與反應(yīng)的油品每升高1℃需要吸收的熱量），氫氣的摩爾比熱為Q3，油品進(jìn)料的總摩爾數(shù)為N，反應(yīng)生成芳烴的摩爾數(shù)為M，反應(yīng)過程的溫降為T=T2-T1。

則：反應(yīng)熱總量為：Q1×M

根據(jù)上述化學(xué)方程式，一摩爾烷烴反應(yīng)生成的芳烴產(chǎn)出的氫氣量（摩爾數(shù)）為：4×M，所以所以反應(yīng)后氫氣總量為：

K×N+4×M

反應(yīng)前后由溫降產(chǎn)生的熱量變化可近似為：

Q2×N×T+Q3×（K×N+4×M）×T

根據(jù)能量守恒：反應(yīng)熱=反應(yīng)前后熱焓的變化，可得到如下等式：Q1×M=Q2×N×T+Q3×（K×N+4×M）×T（1）

由于反應(yīng)前后油品的摩爾數(shù)不變，設(shè)反應(yīng)后芳烴占總油品的摩爾比為：Y1=M/N

因此，等式（1）可簡(jiǎn)化為：

Y1×Q1=Q2×T+K×Q3×T+4×Q3×T×Y1（2）

令：A=Qn/Q1，B=Q3/Q1，C=4×Q3/Q1

等式（2）可簡(jiǎn)化為：Y1=A×T+B×K×T+C×Y1×T（3）

整理后可得：Y1=（A×T+B×K×T）/（1-C×T）（4）

由于分餾塔的作用是去除輕組分，所以，可認(rèn)為芳烴基本全部保留在塔底，根據(jù)物料平衡，可近似認(rèn)為所有生成的芳烴全部保留在塔底抽出物里，則有：Y1×F1=Y×F2

進(jìn)而得到：Y1=Y×F2/F1 ? （Y為最終產(chǎn)品中的芳烴含量）

代入等式（3），可得：

Y×F1/F2=A×T+B×K×T+C×T×Y×F1/F2（5）

其中進(jìn)料流量F1、塔底出料流量F2、反應(yīng)總溫降T、氫油比K都是可測(cè)變量，芳烴含量Y為化驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用收集整理的數(shù)據(jù)，根據(jù)等式（5）進(jìn)行線性回歸，或者根據(jù)等式（4）進(jìn)行非線性回歸，都可求得系數(shù)A、B、C。再代入等式（4）即可得到最終的關(guān)系方程：Y=f（K，T，F(xiàn)1，F(xiàn)2）

5 效果對(duì)比

圖為2、圖3為3個(gè)月的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以很明顯地看出，軟儀表的預(yù)測(cè)精度得到大幅度提高，變化趨勢(shì)與實(shí)際化驗(yàn)值非常吻合，軟儀表預(yù)測(cè)值與化驗(yàn)值差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差由2.15降低到0.95，下降約60%。

6 作用與意義

這種方法屬于灰箱建模。從原理出發(fā)，利用工藝原理及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，計(jì)算出大致的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換建立軟測(cè)量與可測(cè)值之間的線性關(guān)系式，將數(shù)據(jù)回歸與機(jī)理建模有機(jī)結(jié)合，能夠較為準(zhǔn)確地找到變量之間的實(shí)際關(guān)系。同時(shí)利用回歸進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化，可有效降低模型的復(fù)雜程度。與傳統(tǒng)意義的軟測(cè)量建模方式相比，此方法在實(shí)際應(yīng)用中預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確，抗擾動(dòng)性更強(qiáng)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】林世雄.石油煉制工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

【2】王樹青.工業(yè)過程控制工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.